(57)【要約】【課題】  内燃機関自体の温度上昇や吸入空気の温度上昇という手段でなく、始動時の低温下においても、燃焼を十分に促進し、始動時特有の燃料増量を大幅に低減できる、特に酸素マイナスイオンの強力な酸化反応力を利用した低温始動時における燃焼改善装置の実現に関する。【解決手段】  内燃機関の吸気マニホルド上流部に酸素マイナスイオン発生装置の酸素マイナスイオン放出部を連結し、内燃機関が暖機運転中の場合は上記酸素マイナスイオン発生装置が稼動し、内燃機関が暖機運転中でない場合は上記酸素マイナスイオン発生装置が停止するように構成され、少なくとも暖機運転時において吸気に酸素マイナスイオンが混入されるように構成したことを特徴とする燃焼改善装置。【選択図】      図１
2006188987.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関における燃焼改善装置において、内燃機関の吸気系に酸素マイナスイオン発生装置を備えて吸気に酸素マイナスイオンが混入されるように構成したことを特徴とする燃焼改善装置。
【請求項２】
上記酸素マイナスイオンは、少なくとも内燃機関暖機運転時において混入されることを特徴とする請求項１に記載の燃焼改善装置。
【請求項３】
上記吸気系に備えた酸素マイナスイオン発生装置は、吸気マニホルド上流部に酸素マイナスイオン発生装置の酸素マイナスイオン放出部を連結したことを特徴とする請求項１または２に記載の燃焼改善装置。
【請求項４】
上記酸素マイナスイオン発生装置は、容器と、少なくとも一部が上記容器の中に配設されてその外部表面が酸素マイナスイオン発生部となるアルミナセメント構成材と、上記アルミナセメント構成材を加熱するヒーターと、上記アルミナセメント構成材の内部表面の少なくとも一部に形成された酸素供給電極と、上記酸素供給電極に供給される少なくとも酸素ガスを含むガスと、上記酸素マイナスイオン発生部と離隔して上記容器内に設置された酸素マイナスイオン引き出し電極と、上記酸素マイナスイオン引き出し電極に酸素供給電極よりも高い電圧を印加し得る電源とを備えたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の燃焼改善装置。
【請求項５】
上記酸素マイナスイオン発生装置は、内燃機関の暖機状態検出手段を備え、かつ、上記暖機状態検出手段からの検出データに基づき、内燃機関が暖機運転中と判断された場合は上記電源及び上記ヒーターの駆動スイッチをオンにし、内燃機関が暖機運転中でないと判断された場合は上記各駆動スイッチをオフに制御する制御手段を備えたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の燃焼改善装置。
【請求項６】
上記検出データは、内燃機関の冷却水温度であることを特徴とする請求項５に記載の燃焼改善装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、始動直後の暖機運転中に、内燃機関の燃焼を促進し、有害な未燃ＨＣ排出を極力抑制しようとする内燃機関における低温始動時の燃焼改善装置に関し、特に、酸素マイナスイオンの強力な酸化反応力を利用した低温始動時の燃焼改善装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関の始動直後の暖機運転中は、内燃機関の筒内壁及び吸入空気の温度が低いために、噴射した燃料が十分に気化せず、空燃比を少しでも改善するために通常よりも多めの燃料噴射が行われている。このため、有害な未燃ＨＣが大量に排気ガスと共に排出され、これらの処理が大きな課題となっている。従来技術として、特許文献１があり、厳寒時に、機関冷却水を温めて車内用ヒーター部分で熱交換を行った後にエンジンの暖機促進に用いるための機関冷却水昇温用燃焼式ヒーターの燃焼ガスを、バイパス通路経由で直接内燃機関本体に導入し、或いは、別の通路経由で吸気系に送り、燃焼ガス混入空気として吸気と共に内燃機関内へ導入されるように構成した燃焼式ヒーターを有する内燃機関に関する技術が提示されている。
【０００３】
しかしながら、上記技術では、燃焼式ヒーターの燃焼ガスを用いるため、温度上昇により燃料の気化が促進されて混合気形成効果は向上するものの、空気或いは混合気に燃焼ガスが加わることとなるため、酸素濃度が低下し、結果として燃焼悪化が生じてしまうこととなる。また、さらには、燃焼式ヒーターやバイパス通路など装置が全体として大型化してしまう欠点がある。
【０００４】
【特許文献１】特開２０００―４５７７０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、上記の従来技術が有する欠点を改良しようとするものであり、内燃機関自体の温度上昇や混合気或いは吸入空気の温度上昇という手段でなく、従って、燃焼ガス混入による燃焼悪化やそのための装置の大型化をもたらさずに、始動時の低温下においても、燃焼を十分に促進し、始動時特有の燃料増量を大幅に低減できる、特に酸素マイナスイオンの強力な酸化反応力を利用した低温始動時における高性能な燃焼改善装置の実現に関するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１の燃焼改善装置は、内燃機関における燃焼改善装置において、内燃機関の吸気系に酸素マイナスイオン発生装置を備えて吸気に酸素マイナスイオンが混入されるように構成したことを特徴とするものである。
【０００７】
一般に、Ｏ-、Ｏ2-、Ｏ2-、Ｏ3-、Ｏn-で定義される酸素マイナスイオンは、酸素分子に比べて約一万倍の酸化能力を持っていることが知られている。そのため、点火限界が拡がり、より希薄な混合気でも点火が可能となる。また、点火後の燃焼速度も速いため、燃料の気化が促進する効果も期待できる。当然のことながら、従来技術の欠点である燃焼ガス混入による燃焼悪化や装置の大型化をもたらすこともない。
【０００８】
請求項２の発明のように、好ましくは、上記酸素マイナスイオンは、少なくとも内燃機関暖機運転時において混入されることを特徴とする。
【０００９】
酸素マイナスイオンは、酸素分子に比べて約一万倍の酸化能力を持っていることが知られている。そのため、点火限界が拡がり、より希薄な混合気でも点火が可能となる。このように構成することにより、特に始動時の暖気運転中においては、低温での燃焼を促進することができ、始動時特有の燃料増量傾向を大幅に低減させることができる。
【００１０】
請求項３の発明のように、上記吸気系に備えた酸素マイナスイオン発生装置は、吸気マニホルド上流部に酸素マイナスイオン発生装置の酸素マイナスイオン放出部を連結したことを特徴とする。
【００１１】
このように構成することにより、酸素マイナスイオン発生装置を内燃機関に複雑に組み込むことなく、コンパクトに構成した酸素マイナスイオン発生装置の酸素マイナスイオン放出部を吸気マニホルド上流部に連結するのみであるから、結果として装置全体を簡便にかつコンパクトに構成することができる。なお、発生した酸素マイナスイオンは数秒間の寿命を持つため、内燃機関内での燃焼開始までイオン状態を保つことが十分可能である。
【００１２】
請求項４の装置は、上記酸素マイナスイオン発生装置が、容器と、少なくとも一部が上記容器の中に配設されてその外部表面が酸素マイナスイオン発生部となるアルミナセメント構成材と、上記アルミナセメント構成材を加熱するヒーターと、上記アルミナセメント構成材の内部表面の少なくとも一部に形成された酸素供給電極と、上記酸素供給電極に供給される少なくとも酸素ガスを含むガスと、上記酸素マイナスイオン発生部と離隔して上記容器内に設置された酸素マイナスイオン引き出し電極と、上記酸素マイナスイオン引き出し電極に酸素供給電極よりも高い電圧を印加し得る電源とを備えたことを特徴とするものである。
【００１３】
従来の酸素マイナスイオン発生装置は、高真空装置や放電のためのエネルギー源を必要とするため、装置が大型化しかつ消費電力が大きいなどの欠点があり、一方で、コンパクトな形式のものでは、生成される酸素マイナスイオン量が極めて少ないなどの欠点があったが、このように構成することにより、高真空装置や放電のためのエネルギー源を必要とせず、コンパクトな設備で、アルミナセメントから酸素マイナスイオンを安定的かつ連続的に生成することができる。その結果として、低温始動時の暖機運転中において、安定的かつ連続的な燃焼を確保することができる。
【００１４】
請求項５の発明のように、上記酸素マイナスイオン発生装置は、内燃機関の暖機状態検出手段を備え、かつ、上記暖機状態検出手段からの検出データに基づき、内燃機関が暖機運転中と判断された場合は上記電源及び上記ヒーターの駆動スイッチをオンにし、内燃機関が暖機運転中でないと判断された場合は上記各駆動スイッチをオフに制御する制御手段を備えたことを特徴とする。
【００１５】
一般に、酸素マイナスイオンによる燃焼促進効果が期待されるのは、限られた運転状態、特に、暖機運転中などに限られる。従って、このように構成することにより、暖機運転中であることが確認された場合のみ酸素マイナスイオンを発生させることができ、無駄になる酸素マイナスイオンの発生を防止し、結果として無駄な消費電力の発生を抑制することができる。
【００１６】
請求項６の発明のように、上記検出データは、内燃機関の冷却水温度であることを特徴とする。
【００１７】
暖機運転は、内燃機関の筒内壁及び吸入空気の温度を上昇させるために行うものであ
る。従って、暖機運転中か否かについては、内燃機関の冷却水温度状況によって判断を行うのが極めて合理的かつ正確である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、内燃機関系統の全体構成をイメージ的に示すとともに、内燃機関（エンジン）１の吸気管４の途中、具体的には、吸気マニホルド上流側直近の位置の吸気管４に、酸素マイナスイオン発生装置２の酸素マイナスイオン放出部３を連結した本発明に係る内燃機関における燃焼改善装置の全体イメージ図が示されている。
【００１９】
図２は、図１に示される酸素マイナスイオン発生装置２を拡大して示したものである。２は酸素マイナスイオン発生装置であって、酸素マイナスイオンを包蔵できるアルミナセメント構成体５と、アルミナセメント構成体５を保持する容器８と、アルミナセメント構成体５を加熱するヒーター９と、アルミナセメント構成体５の内部に設けられた酸素供給電極６と、この酸素供給電極６へ供給される少なくとも酸素ガスを含むガス１２と、アルミナセメント構成体５から酸素マイナスイオンを引き出すための引き出し電極１０と、引き出し電極１０に酸素供給電極６よりも高い電圧を印加し得る電源１１とから構成されるものである。
【００２０】
アルミナセメント構成体５は、図２に示すように、例えば、加圧成型した後に焼成することにより、一端を閉じた筒状体として構成し、その閉じた一端側が容器８内に配設されている。アルミナセメント構成体５の内表面には、少なくともその一部に酸素供給電極６が形成されており、後述するように、酸素供給電極６には少なくとも酸素ガスを含むガス１２が供給されると共に、電源１１から電子が供給される。酸素供給電極６は、例えば、アルミナセメント構成体５の内側に金属ペーストを塗布し、焼結することにより形成され、供給された酸素がアルミナセメントと反応できるように多孔質に形成されている。また、アルミナセメント構成体５の容器８内の閉じた一端側の外表面が酸素マイナスイオン発生部７となっている。さらに、アルミナセメント構成体５は、ヒーター９により６５０℃以上に加熱され、図示されていないが、従来から使用されている適切な温度センサーを用いることによりアルミナセメントの温度を制御している。
【００２１】
容器８は、ステンレス、ガラスなどで作成され、内部の雰囲気は、真空に保持するか、不活性ガスのアルゴンなどが封入されるが、乾燥状態に保持することが好ましい。
【００２２】
引き出し電極１０は、図示されるように、酸素マイナスイオン発生部７から所定の距離ｄだけ離隔して配置される。また、引き出し電極１０は、ステンレス板などで作成され、その中心部に、発生した酸素マイナスイオンが通過できるように孔が設けられている。
【００２３】
電源１１は、アルミナセメントから酸素マイナスイオン１４を引き出すために、引き出し電極１０に対し、酸素供給電極６よりも高い電圧を印加する電源であって、直流、交流いずれでもよい。なお、１３は、電源をオン、オフする駆動スイッチである。
【００２４】
次に、酸素マイナスイオンの発生方法について説明する。第一段階として、ヒーター９によりアルミナセメント構成体５を過熱し、６５０℃以上、例えば、７００〜８１０℃に加熱することが好ましい。アルミナセメント構成体５の温度が少なくとも６５０℃以上になったら、第二段階として、電源１１のスイッチ１３をオンにすることにより、引き出し電極１０と酸素供給電極６との間に、１００〜２５００Ｖの電圧を印加すると共に、酸素供給電極６に酸素ガスを含むガス１２を供給する。このため、酸素供給電極６から電子が供給され、アルミナセメント中に包蔵されているＯ-、Ｏ2-、Ｏ2-の各イオン間で電子のやり取りが生じ、所謂イオン伝導が生じる。この結果、酸素マイナスイオン発生部７から酸素マイナスイオン１４が発生して外部に放出され、引き出し電極１０の穴を通過することとなる。一方で、アルミナセメントに包蔵されている酸素マイナスイオンは、酸素マイナスイオン発生部７からの酸素マイナスイオン放出のため、その包蔵量が減少していくが、酸素ガスを含むガス１２が酸素供給電極６を経由してアルミナセメントに補給されて反応し減少分を補っていくこととなる。
【００２５】
次に、酸素マイナスイオン発生量とアルミナセメントの温度との関係を説明する。印加電圧を３７５Ｖとした場合の実験データによると、アルミナセメント構成体５の温度がおおよそ６５０℃で酸素マイナスイオンが発生し始め、７００℃を越えたあたりから電流密度は直線的に増加し始め、８１０℃において、酸素マイナスイオンの電流密度は０．２５μＡ／ｃｍ2であった。
【００２６】
さらに、酸素マイナスイオン発生量と印加電圧との関係を説明する。アルミナセメント構成体５の温度を８００℃とした場合の実験データによると、電界強度が３５Ｖ/ｃｍで酸素マイナスイオンが発生し、１００Ｖ/ｃｍで０．１μＡ／ｃｍ2発生し、５００Ｖ/ｃｍ前後から電流密度は直線的に増加し始め、さらに、１１００、１７００、２１３０Ｖ/ｃｍで、それぞれ、１、２、２．７μＡ／ｃｍ2であった。
【００２７】
また、本発明に係る酸素マイナスイオン発生装置２による発生酸素マイナスイオンの電流密度は、従来例の個体電解質材料ＹＳＺ（安定化ジルコニア）による発生酸素マイナスイオンの電流密度と比べると、約２０００倍以上となっている。
【００２８】
ところで、従来から、内燃機関の始動直後の暖機運転中は、内燃機関の筒内壁及び吸入空気の温度が低いために、噴射した燃料が十分に気化せず、空燃比を少しでも改善するために通常よりも多めの燃料噴射が行われている。このため、有害な未燃ＨＣが大量に排気ガスと共に外部へ排出されることとなる。
【００２９】
この問題を解決するためには、始動時に内燃機関から極力ＨＣを排出させないために、始動時間をいかに短縮するかということ、さらには、始動時にいかに完全燃焼をさせるかにかかっている。
【００３０】
本発明は、このような始動直後の暖機運転中に、内燃機関の燃焼を促進し、有害な未燃ＨＣ排出を極力抑制しようとする内燃機関における低温始動時の燃焼改善装置に関し、特に、上述の酸素マイナスイオン発生装置２により発生する酸素マイナスイオンの強力な酸化反応力を利用した低温始動時の燃焼改善装置に関するものである。
【００３１】
図４は、本発明に係る燃焼改善装置を使用して酸素マイナスイオンを吸気中に混入した場合と使用しない場合即ち酸素マイナスイオンを吸気中に混入しない場合の、空燃比と燃焼速度との関係を示したイメージ図である。図から明らかなように、いずれの場合も空燃比１．０の場合の燃焼速度が最も高いが、酸素マイナスイオンを吸気中に混入した場合の方が混入しない場合に比較して、全ての空燃比において、圧倒的に燃焼速度が高くなっていることが解る。
【００３２】
一方で、ＨＣが大量に発生して問題になるのは暖気運転中であり、定常運転状態では従来からのＤＰＦを中心とする排ガス処理で十分対応可能である。従って、当然のことながら、運転中、常時酸素マイナスイオンを発生させて吸気に混入させる必要はなく、暖機運転を行っている間のみ酸素マイナスイオンを発生できるように管理制御することにより、無駄となってしまう酸素マイナスイオンの発生を防止し、結果として無駄な消費電力の発生を抑制することとなる。
【００３３】
図３は、ECU（図示されていない）による酸素マイナスイオン発生装置２の運転制御に関するフローチャートであり、Ｓ１〜Ｓ５の各ステージ番号に沿って説明する。内燃機関（エンジン）１が始動すると同時に酸素マイナスイオン発生装置２が始動して、エンジンの回転数、燃料噴射量等のエンジン動作状態に関するデータ及びエンジンの冷却水温度データがエンジン系統で測定され、ECUには常時転送される（Ｓ１、２）。
【００３４】
次いで、暖機運転中の判断基準である予め設定されたエンジンの冷却水温度とエンジン系統から時々刻々転送されてくる冷却水温度のデータとをECUにおいて比較処理することにより、暖機運転中であると判断された場合には（Ｓ３）、電源１１のスイッチ１３及びヒーター９のスイッチ（図示されていない）はオンにされ、酸素マイナスイオンの発生が行われる（Ｓ４）。一方で、暖機運転中でないと判断された場合には、電源１１のスイッチ１３およびヒーター９のスイッチはオフにされ、酸素マイナスイオンの発生は停止される（Ｓ５）。なお、予め設定される暖機運転中の判断基準であるエンジンの冷却水温度は、６０℃であることが好ましい。
【００３５】
このように、本発明は上記のような構成であるので、以下のとおりの効果を奏する。
一般に、Ｏ-、Ｏ2-、Ｏ2-、Ｏ3-、Ｏn-で定義される酸素マイナスイオンは、酸素分子に比べて約一万倍の酸化能力を持っていることが知られている。そのため、点火限界が拡がり、より希薄な混合気でも点火が可能となる。特に始動時の暖気運転中においては、低温での燃焼を促進することができ、始動時特有の燃料増量を大幅に低減させることができる。また、点火後の燃焼速度も速いため、燃料の気化を促進する効果も期待できる。当然のことながら、従来技術の欠点である燃焼ガス混入による燃焼悪化や装置の大型化をもたらすこともない。
さらに、酸素マイナスイオン発生装置を内燃機関に複雑に組み込むことなく、コンパクトに構成した酸素マイナスイオン発生装置の酸素マイナスイオン放出部を吸気マニホルドの上流側に連結するのみであるから、結果として装置全体を簡便にかつコンパクトに構成することができる。なお、発生した酸素マイナスイオンは数秒間の寿命を持つため、内燃機関内での燃焼開始までイオン状態を保つことが十分可能である。
また、暖機運転中であることが確認された場合のみ酸素マイナスイオンを発生させることができ、無駄になる酸素マイナスイオンの発生を防止し、結果として無駄な消費電力の発生を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の実施の形態における燃焼改善装置を組み込んだ内燃機関系統の概略構成図である。
【図２】本発明の実施の形態における酸素マイナスイオン発生装置の全体構成図である。
【図３】本発明の実施の形態における燃焼改善装置の酸素マイナスイオン発生装置に関する運転制御についてのフローチャートである。
【図４】本発明の実施の形態における燃焼改善装置の燃焼速度と空燃比の関係を示したイメージ図である。
【符号の説明】
【００３７】
１    エンジン
２    酸素マイナスイオン発生装置
３    酸素マイナスイオン放出部
４    吸気管
５    アルミナセメント構成材
６    酸素供給電極
７    酸素マイナスイオン発生部
８    容器
９    ヒーター
１０    引き出し電極
１１    電源
１２    酸素ガスを含むガス
１３    スイッチ
１４    酸素マイナスイオン
【図１】
2006188987.tif 000003
【図２】
2006188987.tif 000004
【図３】
2006188987.tif 000005
【図４】
2006188987.tif 000006